Автореферат и диссертация по фармакологии (15.00.02) на тему:Разработка и усовершенствование методов исследования металлургических печей с целью повышения эффективности их тепловой работы

г*. ££

с- £

г " са га

Гч!

На правах рукописи

ГЕРАСИМЕНКО Светлана Александровна

РАЗРАБОТКА И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1997г.

- г -

Работа выполнена на кафедре "Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства" Московского Государственного института стали и сплавов, на АО "Новолипецкий Металлургический комбинат", на АО "Магнитогорский металлургический комбинат" и АО "Кировский завод".

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор!Блинов О.И.| кандидат технических наук, профессор Бердшев В.Ф.

Официальные оппонента : доктор технических наук, профессор Климовицкий М.Д. кандидат технических наук Плужников А. И.

Ведущее предприятие : АО "Стапьпроект". г. Москва.

Защита состоится 20 марта 1997 г. на заседании диссертационного совета К.053.08.01 при Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва , ГСП-1, Ленинский щроспект. 4. ауд.Б-436, в 15 часов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "¡Ц" ¡¡^-сгЛЛ 1997 г.

Справки по телефону 237-84-45. '

Ученый секретарь диссертационного совета Курунов И.Ф.

)

- 3 - ________ _____________

_______________ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время 70% национального продукта составляют изделия, изготовленные с применением черных металлов, при этом материальные и энергетические затраты в отечественной металлургии на 20-30Ж вше чем в металлургии развитых стран. Федеральная программа технического перевооружения и развития металлургии России к 2000 г. намечает улучшение структуры металлургического производства: увеличение доли холоднокатаного листа в общем объеме производства с 12,4% в 1992 г. ДО 19.2%; сокращение затрат энергоресурсов на 2,6 млн.т условного топлива; повышение производительности металлургических агрегатов и качества готового листа. Решение этих задач в значительной мере определяются совершенством технологий термической и термохимической обработки и конструкциями металлургических печных агрегатов (МПА). Важность энергосбережения подтверждается и тем, что из-за опережающего роста цен на электроэнергия, газ, уголь и т.п. доля энергозатрат возросла с 26 до 35%. Повышение эффективности процесса получения холоднокатаного листа в значительной степени определяется совершенствованием тепловой работы уже существующих агрегатов. При этом методы и средства исследования и контроля, как инструмент процесса совершенствования агрегата, сами являются объектами этого совершенствования, которое выполняется с целью получения более достоверной информации о теплообменных процессах в МПА.

Эффективность работы нагревательных методических и протяжных печей непрерывного отжига в значительной, мере определяет технико-экономические показатели процесса производства и качество стального листа. Температурные режимы нагрева заготовок и термообработки полосы являются важнейшей характеристикой функционирования печей. Анализ состояния оперативного контроля и управления технологическими параметрами в печах непрерывного действия показал, что управление качеством при отсутствии объективной информации о параметрах процессов в МПА и, особенно, о температуре металла по ходу его обработки, не отвечает современным требованиям. Недостатки существующих средств измерения затрудняют их использование на печных агрегатах непрерывного действия.

Сказанное выше определяет актуальность разработки и реализа-

ции усовершенствованных теплотехнических режимов печей на основе создания и развития новых методов и средств теплотехнического исследования и контроля.

Целью работы является:

1. Разработка новых способов контроля температуры движущегося металла, определения его степени черноты, эффективной температуры и степени черноты рабочего пространства печного агрегата.

г. Создание новых устройств оперативной диагностики тепловых и температурных режимов работы протяжных и методических печей.

3. Разработка методики и алгоритмов расчета теплофизических характеристик металла и печи при контактном контроле температуры движущейся стальной полосы.

4. Разработка и реализация в промышленных условиях новых усовершенствованных температурных режимов работы агрегата непрерывного отжига жести и нагревательной методической печи стана 900/680.

Методы проведения работы. Данная работа является продолжением научных разработок отечественных и зарубежных ученых в области создания и развития методологии совершенствования способов и средств исследования параметров процесса тепловой обработки металла. Для достижения поставленных целей использовались методы прикладного вычислительного эксперимента, математического моделирования, экспериментального изучения тепловой работы МПА. Метрологическая оценка результатов промышленных исследований подтвердила адекватность расчетных моделей и измерительных систем.

Научная новизна:

1. Сформулированы и обоснованы новые определения, понятия и их смысловое содержание в области методологии совершенствования МПА, конкретизирована смысловая наполненность понятия информации с точки зрения получения данных температурных измерений в металлургических печах.

2. Предложены новые способы измерения температуры и радиационных характеристик движущегося металла в протяжных термических н нагревательных методических печах.

3. Разработана и апробирована методика математического моделирования и экспериментального изучения контактного способа контроля температуры движущейся полосы в протяжных печах на основе

применения вероятностно-теплотехнических методов расчета.

4. Получены новые данные о температурных режимах работы башенных печей для производства анизотропных электротехнических сталей и жести: горизонтальных печей для термической и термохимической обработки электротехнических сталей: методических печей стана 900/680 для нагрева заготовок, блюмов и слитков.

5. Разработаны усовершенствованные режимы нагрева металла, обеспечившие внедрение нового процесса обезуглероживающего отжига стальной полосы в башенной печи для термообработки жести; внедрен новый температурный режим нагрева слитков в нагревательной методической печи стана 900/680.

Достоверность результатов базируется на значительном объеме экспериментов, выполненных в промышленных условиях, высоком уровне адекватности разработанных расчетных схем тепловых моделей, адаптированных к условиям теплообмена в промышленном агрегате, метрологической обработке полученных экспериментальных данных с использованием необходимых статистических оценок и процедур.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны, апробированы и испытаны в промышленных условиях новые устройства тепловой диагностики и контроля температуры движущейся полосы, радиационных характеристик нагреваемого металла, а также конструктивных элементов печей: двухканалыгое пирометрическое устройство с нормализацией степени черноты контролируемого участка поверхности (А.с.N1702194 СССР от 3.07.1989г.): устройство для измерения температуры движущейся полосы (патент РФ N2010190 от 18.03.1991г.); лультипараметрический сопряженный модуль для получения комплексной информации о температурном состоянии в зоне печи, что позволяет расширить арсенал применяемых при исследовании средств, обеспечивает получение необходимой информации в темпе с процессом, ускоренную и точную наладку усовершенствованных тепловых режимов, повышение качества конечного продукта.

2. Уточнены температурные режимы работы башенных печей производства анизотропных электротехнических сталей и белой жести: горизонтальных печей для термической и термохимической обработки электротехнических сталей; методических печей стана 900/680.

3. На башенной печи N2 АН0 НЛМК реализован температурный ре-

жим обезуглероживающего отжига электротехнической стали в толщине 0,65 мм;

4. На методических печах стана 900/680 реализован усовершенствованный режим нагрева за счет удлинения методической зоны и снижения температуры в томильной зоне на .45-60. С для всех групп марок сталей, что г^еспечило снижение расхода газа на 5-7 % при неизменном уровне температур металла на выдаче.

5. Реализован новый усовершенствованный температурный и газовый режим работы агрегата непрерывного отжига жести, обеспечивающий обезуглероживание во влажной азото-водородной атмосфере (5%Н2. остальное - азот) стальной полосы с 0,04-0,06 до 0,008-0,01%, что позволяет сократить количество переделов обезуглероживания металла и совместить его с процессом рекристаллизации в башенной печи (вместо И1- установки), снизить эксплуатационные затраты н расширить сортамент выпускаемой продукции.

Апробации работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде стендовых докладов на Всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий", на Второй международной научно-технической конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики", на Международной конференции "Экология и теплотехника", были доложены на научных семинарах и заседаниях кафедры "Теплбфизики и теплоэнергетики металлургического производства" МГИСИС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работы, получен патент РФ и авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работы состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (166 наименований) и приложений. Объем диссертации: 133 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 6 таблицы и 12 приложений.

- 7 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА НОВЬК СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧАХ Металлургический печной агрегат рассматривается как функционально связанное целевым назначением единство материальных, энергетических и информационно-управляющих структур. Информациовно-ин-теллектуальная часть МПА - это датчики кон-роля технологических режимов, регуляторы, компьютерные системы, персонал и т.д. В рамках методологии совершенствования металлургических печей процесс взаимодействия объекта исследования и измерительного средства представлен обобщенными функционально-структурными схемами получения экспериментальных данных с помощью одаопараметрического и мультипараметрического сопряженных модулей (ОПСМ и МПСМ) (рис.1). Выполнена детализация процессов измерения Температуры металла и печи с учетом взаимодействий в системе "объект исследования - сенсор - регистратор информации", где рассмотрен этап генерации информационного эффекта в процессе воздействия иа объект исследования. Однопараметрический сопряженный модуль используется при восприятии одного параметра, для нескольких параметров - несколько од-нопараметрических модулей или один мультипараметрический сопряженный модуль, позволящий осуществить также и комплексное измерение различных по физической сущности величин.

В работе предложены три новых способа измерения температуры: 1. Способ, реализующий в промышленных условиях нормализацию степени черноты металла ; 2. Способ, основанный на принципе "тепловой памяти"; 3. Способ с мультипараметрической оценкой радиационных и температурных параметров печи и металла. Способы реализованы с помощью следующих измерительных средств, соответственно: 1. Двухка-налыюго пирометрического устройства для непрерывного измерения температуры металла и дискретного контроля степени черноты, основанного на нормализации степени черноты контролируемого участка поверхности по одному из каналов; 2. Устройства дискретного контроля температуры движущейся полосы, основанный на датчике "тепловой памяти" с эвакуацией тепловоспринимающего элемента из рабочего пространства печи; 3. Устройства непрерывного контроля в виде

Фтнкщ^жапьш-структурные cxewj получения эксперимеатальвьк пзвньв

; 11

us

JU

Х.ГТТТ

тттт

, «X« 111 IHLMJJJ

г—> и г—»

i_I ni_

ОСТАБОТКв XPftSEffií БОЛЗО"

ЙНЮРКАЦКК ШМШИ г 111!й

ни

'—<BTBQ i-1 nui i ......i и i. i—i с»

опт- ми I—J n h—a —-M n —-. > . ., I ïiui1-1 11 I-1 12 i-1 П

ПС

КС !

№ TT

ОБРАБОТКА »utm Sonso-

шошш »в»отш : Ш№

СЬ одного нрахетра! il" иегтпгетгтдпе пнрене ЯП ~ взхерхтедъних преобразователь

. . tu

il* хзхестхах î S}ft- преллпежи KB - icnHíXii преобразователь И - репетитор щорши 60 - передача хзхервепого параметра ÏÏK - передача хх^орхацхх ГКЭ - гехераихх xxiopnauxoxxoro iffexTa ИМ - передача трасмрххрохахиого «заем вито пашетра

м » - . „,,

in, Хгз - «емадчие «да сохпадаихе с «подогхчесшх иодяме мздеистхм с 1»3, ïii!■■.Tin - хзхерхехих парахетр! Xlini,■ • ■ - «подвох пархетр сОПСМ и»иППСИ

Tl|..-ili - napaierpwecxxi curial, подзчае«« api трнекртн XI » 43 МСМ1Ш1Щ); T2i...iTi - ходхровахвих cxrxaai *

- xxtopxanxoxxw cirsai! Zh.».i2> - хкодхах xxtopxauxj

(Iii Cil - >ипве воздета» liiSniunii хевабд»даех«|;

00 1

ПСЕ •

ига ■ мся •

ВВС ■

ис ■

ABl •

параветрхческх-отобрахтее хзахходе£стххе (их ореоБрдзовавхе) одхопарахетрхческхх сопрххеххмх ходздь идишргпетрхчесглгё cotpjxensi ходздь передача парахетрхчеосого схгвада передача жодхрохаххого схтхада ajfopmxwcm преобразоаатеаь шорхацхх

Рис.1

• - 9 -

мультипараметрического сопряженного модуля для получения комплексной информации о температурном и теплофизическом состоянии исследуемой системы в зоне теплообмена печи.

Первый способ и устройство разработаны для обеспечения измерения температуры металла в методических печах в условиях сильного окалинообразования и влияния печной атмосферы на процесс измерения и могут применяться для других агрегатов. Способ заключается в Формировании и последующем сравнении трех «'"налов при 2-х положениях устройства ( в момент касания поверхности металла и при удалении от этой поверхности): 1- собственное излучение металла при нормализации значения его степени черноты близкой к единице и исключении фонового излучения; 2- собственное излучение металла со степенью черноты, соответствующей реальному физико-химическому и тепловому состоянию поверхности металла в момент измерения, и исключении фонового излучения; 3- эффективное излучение от поверхности металла, включающее фоновое излучение и прямое излучение от конструктивных элементов печи, газовой атмосферы, а также переотраженные излучения от поверхности металла. Отнопение двух первых сигналов позволяет определить степень черноты металла и использовать это значение для корректировки показаний штатных пирометров и получить значение действительной температуры металла. Разность значений третьего и второго сигналов определяет величину фонового излучения. Устройство позволяет также оценить величины падающего, собственного, фонового, эффективного и других потоков. Устройство, реализующее данный способ (рис.2,а), представляет собой Фурму с двумя параллельными цилиндрическими каналами с сапфировыми светопроводами. В конце одного из каналов установлено полусферическое охлаждаемое зеркало с отверстием в центре, в конце другого - диафрагма. Канал с зеркальным отражателем (при плотном контакте с металлом) обеспечивает эффективную степень черноты поверхности, близкую к единице (принцип пирометра Лэнда). В качестве приемника сигнала использован фотодиод, устанавливаемый в процессе измерения строго соосно каждому каналу с фиксированным зазором от торцов световодов. Принятая конструктивная схема позволяет проводить однородные измерения в каждом канале одним и тем же приемником излучения, что делает их результаты сравнимыми по физико-химическим и

// Р.* ,т гЛ

¿ИТ

л?

а)

1- корпус; 2,7- корпуса светопроводов; 3,6- светопроводы; .4- корпус канала с насадкой; О- подводящий воздушный патрубок; 9,10- подводящий и отводящий водяиий патрубки; 11- приемник оптического излучения, 12- переключатель; 13- капсула крепления приемника 11; 14- корпус узла приемника; 15- тепловой экран; 16- контрольно-измерительный прибор; 17- контактные клеммы

1- тепловое принимающий элемент; 2- контактная поверхность; 3- система экранов; 4- полость, с характеристиками АЧТ; 5- резьбовое отверстие ддя крепления к держатели 6; 7- шарнирная подвеска; В - несущая штанга, 9-теплоизолнрушцнй чехол

Рис.2

- и -

температурно-временным характеристикам состояния поверхности.

Второй способ, основанный на принципе тепловой памяти и переменной тепловой структуре, и реализующее его устройство, созданы для измерения температуры движущейся металлической полосы в протяжных печах. Он заключается в использовании датчика переменной тепловой структуры, нагреваемого в процессе контактирования с измеряемым телом до температуры последнего, с последующим извлечением датчика из рабочего пространства печи и «умеренней его температуры в условиях стационарного температурного режима. При этом выдерживаются высокие (приближающиеся к требованиям воспроизведения градуировки в лабораторных условиях) Метрологические характеристики получения информационного сигнала. Способ реализуется в три этапа: запоминание - в момент нахождения датчика в печи, хранение - при извлечении из печи, и собственно - измерения. Сущность предложения основана на возможности изменения тепловой массивности датчика: 1. В момент контакта с полосой ему присущи свойства термически тонкого тела для обеспечения равенства температуры тепло-воспринимающей поверхности и его центра температуре полосы: 2. При извлечении из печи и измерении температуры - свойством термически массивного - для сохранения постоянства температуры полости в течение времени, необходимого для проведения измерения. Устройство, включает тепловоспршшмакшшй элемент в виде медного полуцилиндрн-ческого стержня с цилиндрической полостью, обладающей свойствами АЧТ, в которой при измерении размещается малоинернионный термоэлектрический преобразователь ( или визируется пирометр). Защита стержня от излучения кладки рабочего пространства печи осуществляется с помощью пяти полуцилиндрических металлических несмыкякяихся экранов (рис.2,б). В процессе измерения датчик размещают на движущейся полосе на время, необходимое для его нагрева до температуры полосы, затем он извлекается из печи, помещается в теплоизолирующий чехол, обеспечивающий постоянство температуры в процессе измерения, что исключает искажение характеристик или разрушение термоэлектрических преобразователей, что имеется в настоящее время при работе в защитной и окислительной атмосфере печи контактных термометров скользящего типа. В полость медного цилиндра вводится малоинерционная термопара или визируется пирометр излучения (ПИ). Наг-

рев рабочего спая термопары осуществляется за счет излучения от внутренней поверхности полости. Чтобы увеличить период стационарного температурного состояния полости при охлаждении вне печи используется теплоизолирующий чехол с внутренним отверстием, повторяющим форму датчика. Возможность постоянства температуры в пределах заданной точности измерения подтверждено расчетной схемой тепловой системы "печь-датчик-полоса" и экспериментальными исследованиями. Метод разрабатывался применительно к условиям башенных печей НЛМК и ммк.

Для совершенствования тепловой работы протяжных печей предложен третий косвенный способ определения истинной температуры металла и кладки, эффективной температуры печи, а также соответствующих степеней черноты по значениям четырех температур с использованием мультипараметрического сопряженного модуля (МПСМ), позволяющего провести одновременные измерения для последующего расчета теплотехнических характеристик разной физической сущности. Информационным сигналом являются значения температур, измеренных на каждой пластине, и обеспечивающих после последующей обработки получение необходимых теплофизических характеристик: температуры металла и печи и их степени черноты, а так же величины падающего теплового потока на металл. Конструкция модуля представляет комбинации четырех пластин, расположенных определенным образом в печи на полосе. Первая и третья имеют непосредственный контакт с полосой, вторая удалена от поверхности металла. Третья и четвертая пластины располагаются друг над другом и разделены слоем теплоизоляционного материала ( с известной теплопроводностью). Измерение температур пластин осуществляется зачеканенными в них малоинерционными термопарами. Данная конструкция позволяет по измерению четырех температур восстановить внешние условия проведения измерений, т.е. получить комплексную информацию о температурных и радиационных характеристиках системы "печь-датчик-полоса" в промышленных условиях.

РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НОВЫХ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ -------- --------------------------------------------МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Для способа с нормализацией степепи черноты контролируемого участка поверхности выполнены аналитические исследования влияния конструктивных элементов печи и самого устройства на результаты измерения. Для расчета использована известная тепловая схема с учетом излучения газовой среды печи в зазора между приемным концом оптического канала и поверхностью излучающего тела и формулы • расчета зеркальных отражающих поверхностей. На рис.3 представлены результаты расчетнмх исследований при варьировании характеристик металла. кладки, газовой средь;, коэффициента отражения насадки, величины зазора между зеркальной насадкой и поверхностью металла на точность определения температуры металла. Предложенный способ обеспечивает точность измерений ±5°С при температуре металла 800-1250° С.

Для способа, основанного на принципе "тепловой памяти", при математическом описании тепловых процессов в протяжной печн в установившееся режиме, принимались следующие допущения: теплообмен через точки непосредственного контакта датчика с чехлом не учитывался вследствие малости площади контактных пятен; конвективная составляющая принималась равной нулю, благодаря выбранным конструктивным особенностям чехла и датчика; теплообмен между тепло-воспринимающим элементом (ТВЭ) и окружающей средой осуществляется только излучением; среда лучепрозрачная; ТВЭ и теплоизолирующий чехол являются серыми телами; ТВЭ аппроксимировался бесконечным цилиндром с радиусом г; теплоемкость и плотность материала ТВЭ не зависят от температуры (в расчетах используются их средние значения в интервале от температуры окружающей среды до температуры полосы) . Целью исследования является определение времени нагрева и охлаждения тепловоспринимающего элемента датчика, в течение которого его температура отклонится от температуры полосы на величину не более заданной по условиям требуемой точности измерения. Рассматривались две расчетные схемы: первая - процесс нагрева ТВЭ датчика в случае его нахождения на полосе в печи; вторая - процесс охлаждения ТВЭ при его расположении в теплоизолирующем чехле вне

- к -

Изменение величины погрешности измерения температуры металла в печи ЛТ„ в зависимости от его степени черноты £„, коэффициента отражения измерителя р, расстояния измерителя от металла б„, при разных уровнях нагрева металла Т„

Рис.3

рабочего пространства.

Анализ регистограмм показал, что способ обеспечивает темпера-^ турную остановку, фиксирующую температуру металла и позволяющую регистрировать действительное значение температуры движущейся полосы при стационарном режиме с обеспечением заданной погрешности в течение времени, определяемого по формуле:

С0 Ш дт

Дх --------------------------- (1)

е б0 F - Твс«)

где Дт - допустимое время проведения измерения ТВЭ,с; С0 -удельная теплоемкость материала ТВЭ, Дж/кг К: го - масса ТВЭ, кг; F - площадь поверхности теплообмена, м~; F = Гтораа, F0 - площадь отверстия полости, м2, F0= 0,25 X d2, d - диаметр отверстия, п; FTop - площадь боковой поверхности ТВЭ, контактирующая с окружающей средой, мг; Тос - температура внутренней полости теплоизолирующего чехла. К; ДТ - заданное допустимое падение температуры ТВЭ. определяемое необходимой точностью измерения. К; Ттчэ - предположительная (для первичного расчета) температура ТВЭ в момент регистрации сигнала вне печи. К; б0 - константа излучения абсолютно черного тела, б0 - 5,67 10"в Вт/(мг 1С4); с - степень черноты полости ТВЭ, принимается равной 1 (соблюдаются условия АЧТ). Математическое моделирование защитной экранной системы изоляции чувствительного элемента датчика от рабочего пространства печи показало, что 5-ти экранная система обеспечивает постоянство температуры в пределах 5"С в течение 40 с.

Для МПСМ на этапе постановки задачи произведена дискретизацию системы, т.е. разобьем систему "печь - датчик - металл" на 13 зон,

площади которых равны F, (1=1____ и) (рис.4). В пределах каждой

зоны температура и радиационные характеристики можно считать постоянными: Tt=const, А, =е, »const (поглощательная способность, равная степени черноты), где 1, 2, 3. 4 - поверхности соответствующих пластин: 5 - металл; 6 - свод печи; 7, 8-9 - соответственно боковые и торцевые поверхности рассматриваемой зоны печи; 10. 11, 12, 13 - боковые поверхности огнеупорного слоя между 3 и 4 пластинами.

—-направление движения полосы

Рис.4

При расчете теплообмена в МПСМ учитывали протекание следующих процессов: 1. Переноса тепла излучением между верхней поверхностью пластины 1 (1), верхней поверхностью пластины 2 (2), нижней поверхностью пластины 2 (2н). верхней поверхностью пластины 4 над огнеупорным слоем (4). боковыми поверхностями огнеупорного слоя (10-13), поверхностью свода печи (6), боковыми (7) и торцевыми (8, 9) поверхностями рассматриваемой зоны печи и поверхностью металла, свободной от пластины 1 и пластины (3) снизу огнеупорного слоя (в скобках указаны номера зон при применении резольвентного зонального метода расчета теплообмена в указанной системе): 2. Перенос тепла теплопроводностью через огнеупорный слой между пластинами 3 и 4; - перенос тепла излучением и теплопроводностью в зазоре между нижней поверхностью 1-ой пластины и полосой; 3. Перенос тепла излучением и теплопроводностью в зазоре между нижней поверхностью огнеупорного слоя и полосой, и использовали следующие допущения: в пределах каждой зоны температуры и радиационные характеристики тел постоянные; температурное поле в огнеупорном слое одномерно; боковые поверхности 10-13 огнеупорного слоя - идеальные отражатели; боковые и торцевые поверхности зоны печи принимаются адиабатными; все поверхности, участвующие в радиационном теплообмене, являются серыми, а их излучение - диффузным; толщина газового зазора достаточно мала, ограничивающие его поверхности рассматриваются как бесконечные параллельные пластины; конвективным переносом тепла в газовом зазоре, выделением тепла в результате трения полосы о поверхности

МПСМ и контактной теплопроводностью между ¡шел пренебрегаем; пластины 1, 2, 3. 4 можно рассматривать как термически тонкие тела. В соответствии с резольвентным методом при записи зональных уравнений используем соотношения результирующих и собственных потоков при смешанной постановке задачи:

п

0(рез = А, 2 <3КС06 ФК1 - 0,006 , при I = 1.2..... п (2)

К'1

где п - общее число зон; р -3 - результирующий поток на г-туш зону: 0ксо° - собственные потоки всех зон на 1 -*гум зону; О^06 - собственный поток 1- теп -спи; ч>1:1 - разрешающие уыовые коэффициента излучения с зоны к на зону 1, находится из решения системы уравнений:

п

Фк1= Фк1 + 2 ^ Фкз Фя, при 1. к - 1. 2.....п

Г5

% 1 > 4>к з ~ угловые коэффициенты излучения для соответствующих зон; = 1 - - отражательная способность ;]-той зоны; Л,, А, -поглощательная способность соответствующей зоны.

Расчет разрешающих угловых коэффициентов излучения проводится с учетом оптико-геометрических свойств данной системы. Система уравнений (2) является замкнутой, позволяющей найти все неизвестные величины, использовав классификацию лучистых потоков:

п п

а,"ал = I 0КС06 Ч»к1; 01эф ° V00 + к 2 0КСО" 4<к1; .

к = ] «■!

и рассчитать температуру печи и ее эффективную степень черноты.

Уравнения теплового баланса для предложенной тепловой системы имеют вид:

Чп 4 Чя1 = Ч1врез; Яаврез - Чгяреэ:

Чтз + г>з " Чт4-з: Ч4ре3 - ЧТ4-3 .

где дт 1 » Хг/5г(I, -Ц) - плотность теплового потока теплопроводностью в газовом зазоре между пластиной 1 и металлом, ; ^Г-б,, еп,м~ 1 (Г,1 - Тм4) - плотность потока излучением в зазоре между пластиной 1 и металлом, ; Чт3 » X,. /5Г - 1м) - плотность теплового потока теплопроводностью в газовом зазоре между пласти-

ной 3 и неталлом; цл3 = б0е„рм-3 (V - Тм4) - плотность теплового потока излучением в зазоре между пластиной 3 и металлом; <114 -з = Х0Г„/601 н и4 - - плотность теплового потока теплопроводностью в слое огнеупора между пластинами 3 и 4; Я!Врез ; о/р"; (^нрез. д^рез _ рассчитываем через результирующие потоки (по формуле 2): q1 = О,р е3 : Т,ч. Тп - соответственно, температуры металла и печи. К; с„, еп - соответственно, степени чернот метала и кладки; Т,, Т2. Т3, Т4 - температуры пластин. К; е,. е2. е3, е4 -степени чернот пластин; Хг - коэффициент теплопроводности газа в печи. Вт/м К; ог - величина газового зазора между первой и третьей пластиной и полосой, м,\ Хог„ - коэффициент теплопроводности используемого теплоизолирующего материала, Вт/м К; богн - толщина огнеупорного слоя,, м; б0= 5,67 10"8, Вт/м2К4 - постоянная Стефа-на-Больцмана; Епрм'> =1/(еи"1+ V1 + £пРм"3=1/(Ем"! + £з"ь + - приведенные коэффициенты излучательной способности в системе "пластина-металл" для 1 и 3 пластин соответственно.

На этапе исследования модели алгоритм расчета включает решение прямой и обратной задач (рис.5). При решении прямой задачи теплообмена в МПСМ рассчитывали температуры четырех пластин исходя из заданных конкретных значениях температур металла кладки, их радиационных характеристик, соответствующих реальному технологическому процессу, а также необходимых конструктивных параметров самого МПСМ. При решении обратной задачи исходными величинами являются решения прямой задачи и решается задача вероятностно-детерминированного моделирования, где истинные значения температур пластин трансформируются в измеряемые, величина ошибки которых определяется задаваемыми статистическими характеристиками вероятностных погрешностей термоэлектрических преобразователей, а искомыми являются температуры металла, кладки и их степени чернот. Для генерации случайных значений параметров системы задавался диапазон их вариаций с учетом практически допустимых отклонений в работе агрегата, являющегося диапазоном допустимых погрешностей при определении температур или возможных отклонений параметров в процессе измерения. Величины методических и инструментальных погрешностей измерения (случайные и систематические погрешности термопар) в зависимости от выбранных средств контроля получали, используя стандарт-

Алгоритм моделирования расчета температуры-металла, печи, их радиационных характеристик, используя схему..измерения с МПСМ

Пряная задача

Обратная задача

Используем рассчитанные значения температур пластин Т1. Т2, ТЗ, Т4

1 Г_-__-Г

Задаем значения радиационных характеристик пластин модуля: е,, е2. с3,

Рис.5

ную функцию нормального распределения случайных величин "GAUSS" . Для этого вводились средние и среднеквадратические погрешности определения температуры полосы, печи, а также начальные и конечные значения степеней чернот пластин, зазора между первой, третьей пластинами и полосой, коэффициентов теплопроводности газа и огнеу-пора, толщины огнеупора, в виде:

М - Ммо + AMt; Мм0 - а„ + (ак - а н),

где М - искомое значение параметра; Мм0 - начальные значения параметра, выбранное из нормального закона распеределения; ДМ)-абсолютные погрешности определения параметра.

На этапе решения прямой задачи задаются конкретные значения тепловых и радиационных характеристик печи и металла: Тм=500°С, Тп=800°С, ем=0,6, t„=0,8 и рассчитываются температуры пластин. Методом вариантных расчетов проведена оптимизационная оценка величины газового зазора между пластиной и полосой бг и уточнен конструктивный параметр модуля богн при соответствующем коэффициенте теплопроводности Хогн. При этом значения температур Tt, Тг, Т3, Т4 определяются соотношениями значений параметров печи, металла, печной атмосферы, которые декретируются тепловой системой. Изучение влияния конструктивных параметров модуля на информационный сигнал позволило определить оптимальные параметры датчика с точки зрения минимальной погрешности определения температур металла и печи: при ^огн=0-05 (Вт/и2 К4), ZorH=5-6 см к Zr= 0,5 мм погрешность - 5°С: при Хогн =(0,2 - 0.3) (Вт/мг К4), ZorH=5-6 см и Zr=l-2 мм -8-10°С, общая погрешность - ±(0,5-1)%.

Изучено влияние величины газового зазора Zr при различной толщине огнеупорной изоляции ZorH и ее теплопроводности Хогн на изменение температуры третьей пластины Т3; степени черноты £,„ поверхности первой пластины, обращенной к металлу, на величину температуры пластины Т,, при изменении степени черноты ее верхней поверхности €j у и газового зазора Zr, между пластиной и металлом; влияние изменения степени черноты сП1 и е,„ первой пластины на зависимость Tj при различных величинах газового зазора Zr.

Величины возможных отклонений в показаниях термопар использовались при определении диапазона вариаций измеряемых в ходе эксперимента температур пластин и автоматической диагностики нарушений

работоспособности устройства по конструктивны!!, теллофнзнческим и радиационным параметрам (загрязнение поверхности пластин,-выход из строя термопар, нарушение несущей конструкции и т.д). 8 расчетной схеме они учтены в качестве допустимых погрешностей измерений и диапазонов отклонений измеряемых параметров от среднего значения (дисперсия и среднее квадратичное отклонение).

После выбора оптимальных конструктивных параметров модуля выполнено решение обратной задачи для определения параметров теплообмена в печном агрегате с применением итерационного метода Ньютона решения системы нелинейных уравнений. Погрешность контроля температур составила ¿5 "С (0.6-Ш, радиационных характерней® -±10% (рис.6).

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА И ОТЖИГА МЕТАЛЛА Изучение способа нормализации степени черноты контролируемого участка поверхности проводились на методической голкательной 2-рядной печи стана 900/680 и нагревательной методической печи с шагающим подом стана 350 на АО "Кировский завод" в Санкт-Петербурге с помощью разработанного устройства и стандартных ПИ "АПИР-С", "АПНР-П". Значения степени черноты металла находятся в интервале 0,52 - 0,76 . Изучен процесс изменения температуры слитка на рольганге в момент остановок стана. При охлаждении степень черноты поверхности падает с 0.65 до 0,52, что хорошо согласуется с известными теоретическими положениями для окисленных поверхностей. Данное устройство использовалось при создании математической модели расчета температурных полей в слитках. Сравнительные исследования показали, что предложенное устройство полностью передает характер изменения температуры по длине слитка; при этом обеспечивается точность измерения ±5°С при температурах металла (800-1000)°С. Выполнен эксперимент по определению эффективной степени черноты для пирометра "АПИР-П" типа "СМОТРИЧ". Результаты измерений по длине печи показывают, что принятая в практике величина ем=0,6-0,3 для визируемого на поверхность металла ПИ ошибочна, т.к. фактически эти значения колеблются от 1,2 до 1,6. Абсолютная погрешность измерения температуры металла в печи составляет ±15°С. Периодическая

Изменение погрешности определения температуры металла АТ„ и кладки ДТКЛ, степени черноты металла гч и кладки скл при разном уровне нагрева металла Т„ и варьировании абсолютной погрешности измерителей ДТм

дтнвс

дТсл«*

-г

-10 бн с,го

о,н г

0,(10

о,и

0,95 Р.30 Р.К о,и 0.15

Л» ДГн ■

N 1

1 200 400 600 800 ЪХ

О •-- V--- ■---

-10 " 111,1 чт^Т- - ----

-гг>

200 40» 600 800 Т«,°С

1 /

(Т_ _ - — —. — у

10

г _. 0 . — *-•» —

гоо 400 600 800 Т*. С

Рис.6

/

корректировка показаний применяемых стандартных ПИ по эффективной_ степени контролируемой системы и степени черноты металла может выполняться с помощью разработанного"устройства. Повышение точности измерения' температуры металла и учет изменения его коэффициента излучательной способности позволил обеспечить рациональный тепловой режим печи и сэкономить 3-5% топлива при нагреве.

Исследование способа измерения температуры полосы, основанного на тепловой памяти, включало отработку конструкции датчика и теплоизолирующего чехла и его расположения в процессе измерения. Промышленное испытание конструкций датчика тепловой памяти показало, что применение теплоизолирующего чехла увеличивает прод-длительность периода регистрации сигнала до 25-50 с. Проведены сравнительные измерения температурных режимов обезуглероживающего отжига электротехнической стали в БП 1 и 2 ЛПЦ2 и в горизонтальной печи ЛПЦ5 НЛМК. в БП агрегата непрерывного отжига жести ЛПДЗ-ММК разработанным устройством и контактными датчиками других конструкций. Выявлено, что последние завышают показания температуры металла в различных зонах камеры нагрева печи на 20-100°С при более высокой степени надежности измерений предложенной в данной работе конструкции. Па рис.7 представлены температурные режимы в башенной печи отжига жести в ЛПЦ-3 ММК. полученные с помощью контактных термоэлектрических термометров (КТТ), датчика тепловой памяти (ДТП) и штатного пирометра. В первом проходе камеры нагрева (КН), где перепад температур между металлом и кладкой (400-450)°С, разница в показания датчиков достигает 50°С, к концу Ю! она уменьшается до 6-15°С. где перепад "кладка-металл" составляет (40-50)°С. Пирометр, установленный в конце КН, завышает температуру на 20°С. В камере регулируемого охлаждения показания датчиков совпадают, т.к. отсутствует влияние кладки речи.

Исследование мультнпараметрического сопряженного модуля ставило своей задачей подтверждение возможности восстановления условий проведения измерений в промышленных условиях и получения истинных значений температуры движущегося металла, рабочего пространства печи и их радиационных характеристик. Экспериментальная апробация проводилась на горизонтальной печи агрегата электроизоляционного покрытия ЛПЦ2 НЛМК и БП ЛПЦЗ ММК в КН, где наблюдается наибольшая

Температурные режимы отжига жести в башенной печи ЛПЦ-З МЯК

& 6«3

.2 "4 6

Пгохвш шаосв а пета

Рис.?

Разность показаний при измерений температуры полосы с помощью дтп и двух типоз КТТ в башенной

печи ЛЩ-2 НЛЖ

к'с

¡9

-?0

кн чь )с«*ч>»*

ч

: -¿1

Л

2- ктг 1; "Ь— 3 - ктт л- Уз 11-Ча"/«^

» г I з I 1 6 .. 10

I

-С I

разница между температурами металла и печи. Данные измерений использовались для верификации математической модели. Сравнение по--------лученных расчетных и экспериментальных результатов показывает, что

данный метод позволяет оценить параметры системы "печь-движущийся металл" - Тм, Ткя, ем, £кл, с точностью 5%.

Применение нового способа с использованием датчика тепловой памяти позволило установить температурный режим на БП2 AHO электротехнической стали и осуществить промежуточный обезуглероживающий отжиг в толщине 0.65мм.

Исследование температурных и тепловых режимов работы КП печи агрегата непрерывного отжига жести позволило уточнить существующий тепловой режим, предложить и реализовать усовершенствованный температурный режим, который позволяет получать в КН после второго прохода температуру металла 800-830°С (вместо 500°С), что обеспечивает возможность проведения обезуглероживания во влажной азо-то-водородной атмосфере и снижение содержания углерода в металле с 0,04-0.06 до 0,007-0,01Ж. Это позволяет получать жесть для сверхглубокой вытяжки и металл для магнитных экранов. При этом печь используется как агрегат многоцелевого назначения: рекристаллизаци-онного отжига жести и обезуглероживания стальной полосы.

ВЫВОДЫ

1. В области методологии совершенствования теплотехнологичес-ких комплексов - металлургических печных агрегатов сформулирован ряд новых понятий, уточняющих положения об информации с точки зрения температурных измерений, и конкретизирована смысловая наполненность этого понятия для проектирования, исследования и управления МПА.

2. Предложены новые способы и устройства оперативной диагностики и контроля температуры движущейся полосы в протяжных печах и радиационных характеристик металла в методических печах, а также конструктивных элементов печей: даухканальное пирометрическое устройство с нормализацией степени черноты контролируемого участка поверхности; датчик тепловой памяти с извлечением тепловоепринимающего элемента из рабочего пространства печи; способ с использованием мультипараметрического сопряженного модуля для косвенного

способа воспроизведения условий проведения измеревий в системе "печь-модуль-полоса".

3. Разработаны расчетные схемы предложенных способов измерения температуры. Проведен расчет оптимальных размеров конструктивных элементов устройств и их теплофизических характеристик. Осуществлен выбор допустимых границ изменения конструктивных и тепло-физических параметров устройства.

4. Изучен контактный контроль температуры движущейся металлической полосы в протяжных печах в промышленных условиях с целью минимизации погрешностей на основе вероятностно-теплотехнического моделирования.

5. Результаты промышленных экспериментов с использованием новых способов и средств измерения температуры металла в МПА листопрокатного производства НЛМК, ММК и прокатного цеха АО "Кировский завод", показали, что температурные режимы имеют печей существенные отклонения от проектных величин, а штатные приборы - погрешности, превышающие допустимые по требованиям технологии значения.

6. Данные промышленных исследований температурных режимов работы башенных печей для производства анизотропных элетротехничес-ких сталей и белой жести, горизонтальных печей для термической и термохимической обработки электротехнических сталей; методических печей стана 900/680 для нагрева заготовок подтвердили работоспособность предложенных способов и устройств, что обеспечило получение результатов, ранее недостижимых и позволило уточнить температурные режимы работы данных мощных и высокопроизводительных агрегатов.

7. Применение данных способов позволяет повысить технико-экономические показатели работы печи: получить экономию топлива за счет исключения перегревов, и повысить качество металла. При этом перенос процесса измерения во внепечное пространство позволяет исключить разрушение дорогостоящей контрольно-измерительной аппаратуры и использование систем теплозащиты и охлаждения, требующих специального обслуживания и периодической замены. Предполагаемая экономия на сокращении выхода из строя дорогостоящих комплектующих элементов термоэлектрических преобразователей, стоимость которых в настоящее время колеблется от ЮОтыс.руб. до 1 млн. руб. за штуку,

при расчете проведения 2 измерений обычными термопарами за смену, составит от 18 до 180 млн. руб. в месяц.

8. На методических печах стана 900/680 реализован усовершенствованный режим нагрева за счет удлинения методической зоны (отключены две верхние первые горелки) и снижена температуры в томильной зоне на 45-60°С для всех групп марок сталей, что обеспечило снижение расхода газа на 5-7 % при неизменном ( некоторое увеличение на 5-7°С ) уровне температур металла на выдаче.

9. Применение нового способа с применением датчика тепловой памяти позволило установить температурный режим на БП2 НЛНК и осуществить промежуточный обезуглероживающий отжиг в толщине 0,6" мм.

10. Реализован новый усовершенствованный температурный и газовый режим работы агрегата непрерывного отжига жести, обеспечивающий обезуглероживание во влажной азото-водородной атмосфере (5%Н2, остальное - азот) стальной полосы с 0,04-0,06 до 0,007-0,01%, что позволяет сократить количество переделов получения металла и совместить его в БП с процессом рекристаллизации, снизигь эксплуатационные затраты и расиирить сортамент выпускаемой продукции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.К расчету охлаждения полосы в протяжных печах вертикального типа /В.М.Соболев. И.В.Аббакумов, В.С.Остроумов. С.А.Герасименко //Известия вузов. Черная металлургия.- 1990.- N7.- С.97-98.

2. Герасименко С.А., Блинов О.М. Разработка методик и исследование способов контроля температуры металла в протяжных термических печах/ Известия вузов. Черная металлургия.-1992. - N1.-С.103-104.

3. Блинов О.М.. Герасименко С.А. Исследование методов термоконтроля с целью снижения энергоемкости тепловых агрегатов металлургического производства /3-я Всесоюзная научная конференция "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии" -М.:Из~В0 МЭИ-1991.-С.196

4. Бердышев В.Ф., Герасименко С.А. Контроль технологии нагрева металла с целью оптимизации расхода топлива /3-я Всесоюзная научная конференция "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии" - М.:Из-во МЭИ-1991.-С.196

5. Создание новых методов и средств повышения эффективности функционирования печей прокатного производства /В.Ф.Бердышев. С.А.Герасименко, Р.Э. Найденов, В.М.Соболев, К.С.Шатохин // Вторая международная научно-техническая конференция "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" - М. Труды МЭИ. - 1995.-С.107-110.

6. Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Герасименко С.А. Комплекс средств для исследования температурных режимов металлургических печей / Вторая международная научно-техническая конференция "Новые методы и средства экономии энергоресерсов и экологические проблемы энергетики" - М.: МЭИ. - 1995.-С.103-104.

7. Создание новых методов и средств повышения эффективности Функционирования металлургических печей /А.М.Беленький, В.Ф.Бердышев. С.А.Герасименко и др.// Труды Международной конференции "Экология и теплотехника".-Днепропетровск, 2-5 июля 1996г.-с.157.

8. А.с. 1702194 СССР. МКИ С 01 3 5/02. Устройство для измерения температуры металла в печи/ В.Ф.Бердышев. С.А.Герасименко (СССР),- N4713774/25; заявлено 3.07.89, опубл.30.12.91. Бюл.Ы 48.

9. Патент N 2010190 РФ, Б 01 К 13/06, С 01 К 7/04. Устройство для измерения температуры металлической полосы, движущейся в нагревательной печи/ В.Ф.Бердышев, О.М.Блинов, С. А.Герасименко^®).-N4919087; заявлено 18.03.91г, опубл. 30.03.94. Бюл.И 6.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ Типография МГИСиС (ТУ), ул.Орджоникидзе. 8/9